Suszenie paliw alternatywnych w warstwie fluidalnej

Transkrypt

Instytutu Ceramiki
i Materiałów Budowlanych
Scientific Works
of Institute of Ceramics
and Building Materials
Nr 15
(październik–grudzień)
Prace są indeksowane w BazTech i Index Copernicus
ISSN 1899-3230
Rok VI
Warszawa–Opole 2013
Prace ICiMB
2013 nr 15:18–29
WOJCIECH KALINOWSKI*
4VT[FOJFQBMJXBMUFSOBUZXOZDI
XXBSTUXJFGMVJEBMOFK
Słowa kluczowe: suszarka doświadczalna, suszenie fluidalne, pomiary
technologiczne, emisje gazowe.
Jedną z niekorzystnych cech paliw alternatywnych jest wysoka zawartość
wilgoci, co wpływa na istotne obniżenie wartości opałowej oraz jest przyczyną zwiększonych strat cieplnych w procesach technologicznych. W ramach
działalności statutowej wykonano badania suszenia lekkich frakcji materiałów kawałkowych na stanowisku doświadczalnym suszarni fluidalnej. Na
podstawie pomiarów parametrów strumieni gazów i materiału suszonego dla
różnych wydajności suszarni określono wartości współczynników wymiany
ciepła i masy w złożu fluidalnym. Analiza składu gazów odlotowych pozwoliła na ustalenie koncentracji zanieczyszczeń wydzielonych w procesie suszenia paliw alternatywnych. Zaobserwowano podwyższone poziomy emisji
składników organicznych, w tym zwłaszcza heksanu.
8QSPXBE[FOJF
Paliwa alternatywne (PASr – paliwa alternatywne stałe rozdrobnione, RDF –
Refuse Derived Fuel, BRAM – Brennstoff aus Muell) występujące na rynku
także pod różnymi nazwami własnymi, należą do grupy odpadów innych niż niebezpieczne o kodzie 19.12.10. Charakteryzują się one zróżnicowanym składem
morfologicznym, uzależnionym od rodzaju odpadów wchodzących w ich skład,
wysoką, bo sięgającą nawet do 40%, zawartością wilgoci oraz stosunkowo niską wartością opałową. Zastosowanie takich materiałów w praktyce wymaga
uprzedniego ich przygotowania, a zwłaszcza usunięcia nadmiaru wilgoci.
W ramach działalności statutowej podjęto badania procesu suszenia paliw alternatywnych z wykorzystaniem warstwy fluidalnej [1]. Przedmiotem realizacji
pracy badawczej jest opracowanie efektywnego sposobu suszenia lekkich materiałów kawałkowych z wykorzystaniem złoża fluidalnego. Duża powierzchnia bezpośredniego kontaktu gazu i materiału, warunki cieplno-przepływowe
*
Dr inż., Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych w Warszawie, Oddział Inżynierii Procesowej Materiałów Budowlanych w Opolu, [email protected]
SUSZENIE PALIW ALTERNATYWNYCH W WARSTWIE FLUIDALNEJ
19
panujące w złożu fluidalnym sprzyjają intensywnej, równoczesnej wymianie
ciepła i masy. Efektywność suszenia w sfuidyzowanej warstwie materiału jest
porównywalna z suszeniem w stanie zawieszenia (transport pneumatyczny) dla
znacznie szerszego spektrum ziarnistości materiału i przy zdecydowanie niższych nakładach energetycznych.
Gazy emitowane z procesu suszenia paliw alternatywnych, jako materiał wytworzony z odpadów, mogą stwarzać problemy wynikające z emisji zanieczyszczeń,
zwłaszcza zanieczyszczeń gazowych, w tym też organicznych, uwalnianych
w procesie suszenia. Dokuczliwa jest również emisja odorów.
Podstawowym celem niniejszej pracy jest określenie współczynników wymiany
ciepła i masy w procesie suszenia paliw alternatywnych oraz badanie zanieczyszczeń gazowych emitowanych z procesu.
4UBOPXJTLPEPvXJBED[BMOF
Modelowa suszarnia fluidalna stanowi element rynny aeracyjnej, wyposażonej
w regulowany układ nadmuchu gazów suszących pod ruszt, układ podawania materiału wilgotnego, instalację wyciągową oparów znad złoża oraz system wstępnego odpylania i odprowadzenia gazów na zewnątrz. Źródłem ciepła w procesie
suszenia są gazy spalinowe z wytwornicy ciepła, o temperaturze regulowanej
ilością spalanego paliwa. Instalację wyposażono w regulowane ręcznie przepustnice mechaniczne, utrzymujące prędkość przepływu gazów w warstwie na założonym poziomie. Na rycinie 1 pokazano schemat stanowiska doświadczalnego,
zlokalizowanego na terenie hali technologicznej Oddziału Inżynierii Procesowej
Materiałów Budowlanych w Opolu.
Stanowisko wyposażono w dodatkowe króćce do poboru próbek oraz wzierniki umożliwiające obserwację złoża. Do pomiarów wykorzystano aparaturę pomiarową (termometry, manometry, sondy Prandtla, analizatory składu gazów)
stanowiącą wyposażenie mobilnego laboratorium pomiarów przemysłowych
Zakładu Inżynierii Procesowej i Środowiska.
W przemysłowych suszarniach fluidalnych gazy suszące wprowadza się pod
ruszt suszarni za pomocą wentylatorów nadmuchu. Wentylatory te pracują na
gorących gazach, wytwarzanych w specjalistycznych wytwornicach ciepła,
zwykle pochodzących z palenisk pomocniczych, albo wykorzystujących entalpie
gazów odlotowych z urządzeń technologicznych. Nad rusztem panuje zwykle
nieznaczne podciśnienie, wynikające z warunków przepływowych gazów, kierowanych do zewnętrznego emitora. Dla warunków stanowiska doświadczalnego
połączono wytwornicę gorących gazów, pracującą z maksymalnym nadmiarem
powietrza, z komorą podrusztową modelowej suszarni. Wentylator wyciągowy
przetłacza gazy suszące przez złoże suszonego materiału, odpylacz oraz rurociągi transportu gazów na zewnątrz hali technologicznej.
20
WOJCIECH KALINOWSKI
Ź r ó d ł o: Opracowanie własne.
Ryc. 1. Schemat stanowiska doświadczalnego – model suszarni fluidalnej
Podstawowa charakterystyka stanowiska doświadczalnego:
1 – suszarnia fluidalna
– wydajność – 500 kg/h,
– powierzchnia czynna rusztu – 0,6963 m2,
– obciążenie jednostkowe rusztu – 724 kg/m2h,
– pochylenie rusztu – regulowane +/-15o;
2 – wytwornica ciepła
– moc cieplna – 29,0 kW,
– paliwo – olej opałowy lekki L1,
– zużycie paliwa – 2,7 dm3/h;
3 – wentylator wyciągowy
– typ WPHS 31.5/0.75PO,
– wydatek – 3,0 m3/s,
– spiętrzenie – 4500 Pa,
– moc – 18,5 kW.
21
1PNJBSZOBTUBOPXJTLV
$IBSBLUFSZTUZLBCBEBOFHPNBUFSJBV
Materiałem wprowadzanym do suszarki fluidalnej są paliwa alternatywne – kod
odpadu 19.12.10. Duża zmienność wymiarów i kształtu ziaren oraz własności fizykochemicznych rozdrobnionych odpadów stwarzają poważne trudność
w ustaleniu jednoznacznej charakterystyki materiału. Badania morfologii odpadów wskazują na obecność odpadów komunalnych, papieru, tektury, gumy,
rozdrobnionej biomasy, folii, elementów z tworzyw sztucznych, tekstyliów oraz
części mineralnych stanowiących balast. Średnią wartość gęstości właściwej materiału określono jako średnią ważoną jej składników. Charakterystykę paliwa
przedstawiono w postaci tabelarycznej. Analizę techniczną odpadów jako paliwa
wykonano zgodnie z normami:
– PN-80/G-04512/Az1:2002 – Paliwa stałe. Oznaczanie zawartości popiołu metodą wagową; Zmiana Az1;
– PN-80/G-04511 – Paliwa stałe. Oznaczanie zawartości wilgoci;
– PN-81/G-04513 – Paliwa stałe. Oznaczanie ciepła spalania i obliczanie wartości opałowej.
Tabela 1
Charakterystyka techniczna paliwa alternatywnego
Paliwo
Paliwo alternatywne
a
c
Wilgoć
Wilgoć
całkowita
Popiół
Ciepło
spalania
Wartość
opałowa
Wa
Wc
Aa
Qc
Qa
[%]
[%]
[%]
[kJ/kg]
[kJ/kg]
11,0
18,8
18,7
26 780
22 508
– stan analityczny
– stan dostawy
Tabela 2
Oznaczenie gęstości nasypowej (objętość naczynia 0,02197 m )
3
Paliwo alternatywne
Masa próbki
Gęstość
[kg]
[kg/m3]
6,32
287,7
6,28
285,8
Średnia
286,7
22
WOJCIECH KALINOWSKI
Tabela 3
Własności i morfologia paliw alternatywnych [2]
Udział masowy [%]
Gęstość właściwa [kg/m3]
Papier + tektura
35,0
900
Tworzywa sztuczne (polietylen)
32,0
920
Tekstylia
6,0
300
Guma
10,0
1 300
Drewno
5,0
500
Części mineralne
12,0
2 200
Rodzaj odpadu
Średnia
1 046,4
.FUPEZLBQPNJBSÍX
Do określenia masowych i cieplnych strumieni uczestniczących w procesie
suszenia wykorzystano aparaturę pomiarową stanowiącą wyposażenie mobilnego Laboratorium Pomiarów Przemysłowych Oddziału Instytutu Ceramiki
i Materiałów Budowlanych w Opolu. Pomiary wykonano przy zastosowaniu
metod pomiarowych zamieszczonych w tabeli 4.
Tabela 4
Metody pomiarowe
Badane cechy
Metody badawcze/pomiarowe
Strumień objętości gazu
metoda spiętrzenia
Pobieranie próbek do badań:
metoda grawimetryczna
stężenie pyłu, emisja pyłu
metoda elektrochemiczna
Stężenie O2
metoda celka cyrkonowa
metoda z detekcją
Stężenie CO, CO2, NO, SO2, w podczerwieni (NDIR)
metoda FT-IR
Normy i/lub udokumentowane
procedury badawcze
PN-z-04030-7:1994
PN-z-04030-7:1994
PN-ISO10396:2001
SOP-OP-02
Strumień objętości gazów – obliczono z pomiaru średniej prędkości gazu w rurociągu metodą sondowania przekroju poprzecznego. Zastosowano spiętrzające
rurki Prandtla, równocześnie mierzono temperaturę gazów oraz podciśnienie
w rurociągu. Pomiary wykonano przy pomocy automatycznego pyłomierza typu
EMIOTEST 2598.
23
Stopień zawilżenia gazów – określono metodą kondensacyjno-wagową, a wilgotność resztkową gazów po przejściu przez skraplacz przy pomocy modułu
higrometrycznego, stanowiącego wyposażenie przyrządu EMIOTEST 2598.
Pomiar polega na aspiracji z kanału przy pomocy sondy oczyszczonego z części
stałych gazu i skierowaniu go na skraplacz, a następnie na pojemnościowy czujnik wilgotności względnej umieszczony wraz z czujnikiem temperatury w module montowanym na zewnętrznym końcu sondy. Stopień zawilżenia gazu jest
określany jako suma zawilżenia obliczonego z kondensatu i zawilżenia resztkowego odczytanego z modułu higrometrycznego.
Pomiar stężeń składników gazowych spalin – pomiary składu spalin wykonano w sposób ciągły. Okres pomiarów ciągłych podzielono na półgodzinne testy
pomiarowe. Dane z pomiarów zbierano co jedną sekundę i rejestrowano jako
wartości średnie jednominutowe. Pobór prób prowadzono według metodyki referencyjnej opartej na procedurze badawczej SOP-OP-02. Pomiary wykonano
analizatorami – Gasmet DX-4000 (FTIR) i analizatorem tlenu AMS 3220 oraz
analizatorem Horiba PG-250 (NDIR dla CO, CO2, i SO2; CLD dla NO/NOx oraz
celą paramagnetyczną dla O2).
Pomiar temperatury – pomiar temperatury gazów przeprowadzono przy użyciu termopary NiCr-NiAl oraz termopary typu N wraz z miernikiem Digital
Thermometer HH 506 R. Pomiar temperatury powierzchni i materiałów wykonano za pomocą pirometru optycznego Raynger II oraz kamery termowizyjnej
MobIR M8.
Wydajność suszarni – strumień masy suszonego żużla obliczono na podstawie
pomiaru masy zatrzymanej w wytarowanym pojemniku i pomiaru czasu jego
napełniania. Do pomiaru masy wykorzystano wychyłową wagę dziesiętną.
Pomiar warunków otoczenia – warunki otoczenia ustalono za pomoca termohigrobarometru z dataloggerem D 4141.
8ZOJLJQPNJBSÍXUFDIOPMPHJD[OZDI
Po ustabilizowaniu transportu materiału w złożu i zsychronizowaniu stopnia
otwarcia przepustnicy wylotowej i wydajności podawacza przystąpiono do wykonywania pomiarów przepływowych w instalacji. Pomiary wykonano dla trzech
wydajności układu oraz zmiennych temperatur gazów grzewczych. Na rycinie 2
pokazano wnętrze suszarki w trakcie prób.
24
WOJCIECH KALINOWSKI
Ryc. 2. Widok złoża suszonego paliwa
W trakcie próby pobierano próbki materiału na próbę średnią, dla ustalenia wilgotności materiału na wlocie i wylocie z suszarni.
Warunki wykonania pomiarów:
– temperatura otoczenia – 5,0oC,
– ciśnienie barometryczne – 992,3 hPa,
– wilgotność – ok. 90%.
Aby zachować jednorodność rozkładu wilgoci w materiale, badania wykonywano na próbie pierwotnej, bez dodatkowego zwilżania nadawy. Wyniki suszenia
próbek materiału przedstawiono w tabeli 5 oraz na rycinach 3 i 4.
Tabela 5
Wyniki oznaczeń wilgotności materiału
Rodzaj
Paliwo alternatywne
Materiał
Wydajność
instalacji [kg/h]
Wilgotność
produktu [%]
Czas suszenia
[s]
nadawa
–
5,18
–
produkt – 1
587,2
4,28
37
produkt – 2
316,1
2,77
91
produkt – 3
150,3
0,28
239
25
300
250
czas [s]
200
150
100
50
0
0
1
2
3
4
5
zawartość wilgoci [%]
Ryc. 3. Krzywa suszenia paliw typu RDF w złożu fluidalnym
zawartość wilgoci [%]
5
4
3
2
1
0
20
40
60
80
100
temperatura [•C]
Ryc. 4. Zależność zawartości wilgoci w produkcie
od temperatury materiału
Dla stałej temperatury gazów suszących, przy rosnącym czasie przebywania
materiału w suszarni, obserwuje się nieliniowy spadek wilgotności produktu.
Jednocześnie wraz z obniżeniem się wilgotności materiału na wylocie z suszarni
rośnie jego temperatura. Charakter obserwowanych zależności odpowiada wynikom teoretycznej symulacji procesu suszenia fluidalnego dla innych materiałów
ziarnistych [3, 5], choć wskaźniki jakościowe charakteryzujące proces są niższe.
Z uwagi na zakres eksperymentu przedstawione wyniki mają wyłącznie charakter badań wstępnych.
Do obliczeń współczynników wymiany ciepła i masy posłużono się zależnościami odpowiadającymi warunkom eksperymentu. Numerami oznaczono pomiary
odpowiadające zmiennej wydajności suszarni. Wyniki obliczeń zestawiono w tabelach 6–7. Wymianę ciepła wyrażono w postaci:
Nu = 0,01026 · Re · Ar0,176 · (hzłoża/dm)-0,45
(1)
26
WOJCIECH KALINOWSKI
gdzie:
Re – liczba Reynoldsa,
Ar – liczba Archimedesa,
Nu – liczba Nusselta,
hzłoża – wysokość złoża,
dm – średnica ekwiwalentna materiału.
Tabela 6
Wyniki obliczeń współczynnika wnikania ciepła α
Wielkość
Jednostka
Pomiar 1
Pomiar 2
Pomiar 3
[-]
[-]
[-]
94,9
21 641 047
11,67
97,8
22 882 810
10,67
92,40
21 975 191
9,05
36,3
32,2
28,0
Re
Ar
Nu
[W/(m2deg)]
α
Otrzymane wartości współczynników wnikania ciepła mieszczą się w zakresie
α = 28,0–36,3 W/(m2deg). Dane literaturowe z badań procesów konwekcji
w złożu fluidalnym podają wartości α sięgające 30 W/m2deg [3–4]. Uzyskane
w doświadczeniu wartości współczynników wnikania ciepła α wskazują na stosunkowo wysoką efektywność procesu wymiany ciepła pomiędzy gazami grzewczymi a materiałem suszonym.
Do obliczeń współczynników wnikania masy wykorzystano równanie [3]:
jM = 2,05 · φm · [Re/((1 - εzłoża) · φm )]-0,468
(2)
gdzie:
jM = Sh/(Re · Sc0,333)
(3)
εzłoża – porowatość złoża,
φm – współczynnik kształtu ziaren materiału,
Sh – liczba Sherwooda,
Sc – liczba Schmidta.
Wyniki obliczeń dla warunków eksperymentu zestawiono w tabeli 7.
Tabela 7
Wyniki obliczeń współczynników wymiany masy
Wielkość
Re
Sc
σpara-g.w.
φm
εzłoża
Jednostka
Pomiar 1
Pomiar 2
Pomiar 3
94,93
73,140
97,80
57,167
92,40
59,694
3,329E-07
4,002E-07
4,021E-07
[-]
0,70
0,70
0,70
[-]
0,726
0,726
0,726
[-]
[-]
[kg/(ms)]
27
cd. tab. 7
Wielkość
Jednostka
Pomiar 1
Pomiar 2
Pomiar 3
495
510
482
Re/((1-εzłoża) · φm)
βpara.gazy
[kg/(m s)]
0,001
0,001
0,001
m’H2O
[kg/(m2h)]
8,01
11,56
11,23
2
Uzyskane wartości współczynników wnikania masy są relatywnie niskie, co
może wynikać ze stosunkowo niskiej zawartości wilgoci materiału na wlocie
do suszenia oraz mniejszych niż zakładano prędkości gazu w złożu (graniczną
prędkość gazów ustalono na podstawie obserwacji złoża). W dalszych pracach
eksperymentalnych uzyskane wyniki powinny zostać poddane weryfikacji.
Gazy emitowane z procesu suszenia paliw alternatywnych, jako materiału wytworzonego z odpadów, mogą stwarzać problemy wynikające z emisji zanieczyszczeń, zwłaszcza zanieczyszczeń gazowych uwalnianych w procesie suszenia.
Pomiary koncentracji zanieczyszczeń emitowanych podczas prób poprzedzono
badaniem tła. Pomiar tła wykonano przy pustym ruszcie suszarni. Rejestracja
trwała ok. 1/2 godziny. Zarejestrowano przebiegi 19 składników spalin, a wybrane przedstawiono w tabeli 8.
Tabela 8
Pomiary składu gazów spalinowych (pomiar tła)
Lp.
Temperatura
gazów
o
1
2
[ C]
200
218
Analiza gazów
O2
CO2
H2O
CO
HCl
CH4
C6H14
[%]
20,1
19,7
[%]
0,8
0,8
[%]
2,0
1,2
[ppm]
3,2
4,1
[ppm]
0,6
0,7
[ppm]
1,7
1,7
[ppm]
0,3
0,1
W trakcie badań wykonywano ciągły pomiar składu gazów wylotowych. Dla
badanych obciążeń suszarni zestawiono w tabeli 9 charakterystyczne wyniki pomiarów składu gazów emitowanych z procesu suszenia paliw.
Tabela 9
Pomiary składu gazów spalinowych
Lp.
Temperatura
gazów
1
2
3
[oC]
179
160
168
Analiza gazów
O2
CO2
H2O
CO
HCl
CH4
C6H14
[%]
19,6
19,6
19,8
[%]
0,8
0,9
0,8
[%]
2,0
1,1
1,7
[ppm]
1,6
3,0
3,6
[ppm]
1,3
0,8
0,4
[ppm]
3,7
3,2
2,9
[ppm]
12,1
10,8
9,6
28
WOJCIECH KALINOWSKI
Pomiary składu gazów odlotowych z doświadczalnej suszarni fluidalnej paliw
alternatywnych wykazały obecność węglowodorów CnHn+2, zwłaszcza metanu
CH4 i heksanu C6H14.
6XBHJLPËDPXF
1. Paliwa wytworzone z odpadów charakteryzują się zróżnicowanym składem
morfologicznym, uzależnionym od rodzaju odpadów wchodzących w ich skład,
wysoką, bo sięgającą nawet do 40%, zawartością wilgoci oraz stosunkowo niską
wartością opałową. Zastosowanie takich materiałów w praktyce wymaga uprzedniego ich przygotowania, a zwłaszcza usunięcia nadmiaru wilgoci. Z uwagi na
stosunkowo niskie wymagania termiczne procesu suszenia w stanie fluidalnym
istnieje możliwość efektywnego wykorzystania energii odpadowej z procesów
technologicznych (np. w przemyśle cementowym – wykorzystanie powietrza
nadmiarowego z chłodzenia klinkieru).
2. Niskie obciążenie powierzchni rusztu przez gazy suszące wynika z konieczności ograniczania prędkości gazów w złożu. Rzeczywiste prędkości gazów suszących w warstwie różniły się istotnie od wartości teoretycznych. Przy wyższych prędkościach gazów obserwowano porywanie drobniejszej frakcji paliwa
ze złoża.
3. Otrzymane, na podstawie wyników pomiarów i obliczeń, wartości współczynników wnikania ciepła α zawarte są w przedziale 28–36 W/(m2deg), co wskazuje
na stosunkowo dużą intensywność procesu wymiany ciepła. Uzyskane wartości
współczynników wnikania masy osiągnęły bardzo niski poziom. Konsekwencją
tego są niskie wartości gęstości strumienia odparowanej wody m’H2O, które
w przeliczeniu na pusty przekrój mieszczą się w przedziale 8–11 kg/(m2h).
4. Pomiary składu gazów odlotowych z doświadczalnej suszarni fluidalnej paliwa alternatywnego wykazały obecność licznych zanieczyszczeń, w tym również
organicznych, uwalnianych w procesie suszenia. W gazach odlotowych z suszarni fluidalnej pojawiła się zwiększona koncentracja węglowodorów CnHn+2,
zwłaszcza heksanu C6H14. Dokuczliwa jest także emisja odorów. Badania na
obiektach przemysłowych potwierdzają występowanie takich zjawisk.
-JUFSBUVSB
[1] K a l i n o w s k i W., Badania procesu suszenia materiałów kawałkowych z wykorzystaniem
złoża fluidalnego. Raport ICiMB O/Opole nr 4N008S12, grudzień 2012 r.
[2] W a n d r a s z J.W., W a n d r a s z A.J., Paliwa formowane: biopaliwa i paliwa z odpadów
w procesach termicznych, Wydawnictwo „Seidel-Przywecki” Sp. z o.o., Warszawa 2006.
[3] S t r u m i ł ł o C., Podstawy teorii i techniki suszenia, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne,
Warszawa 1983.
29
[4] P a w ł o w K.F., R o m a n k o w P.G., N o s k o w A.A., Przykłady i zadania z zakresu
aparatury i inżynierii chemicznej, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1981.
[5] C i e s i e l c z y k W., K a m i ń s k a A., S ł o n e c z n a J., Badania procesu suszenia
fluidalnego biomasy drzewnej, „Inżynieria i Aparatura Chemiczna” 2011, nr 5.
WOJCIECH KALINOWSKI
DRYING OF ALTERNATIVE FUELS IN FLUID BED
Keywords: research dryer unit, fluid bed drying, technological measurements, gas emission.
One of the unfavorable features of alternative fuels is high moisture content,
resulting in a significant decrease in the calorific value and increase of heat
loss in technological process. Tests of drying of light fractions of lump materials were performed at experimental fluid bed unit. Based on measurements
of the gas stream and the material to be dried for various drying capacity
coefficients of heat transfer and mass transfer in a fluidized bed were determined. Analysis of the composition of the exhaust gases allowed to determine the concentration of impurities released from the process of drying
of alternative fuels. Increased levels of emissions of organic compounds, in
particular hexane, was observed.

Suszenie paliw alternatywnych w warstwie fluidalnej

Transkrypt

Podobne dokumenty

Ograniczanie emisji gazów cieplarnianych a paliwa

Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych Nr 20